Diseño de procesadores

La información se transfiere a través de rutas de datos (como las ALU y las tuberías ). Estas rutas de datos son controladas mediante lógica por unidades de control . Los componentes de memoria incluyen archivos de registro y cachés para retener información o ciertas acciones. Los circuitos de reloj mantienen los ritmos y la temporización internos mediante controladores de reloj, PLL y redes de distribución de reloj . Los circuitos transceptores de pad permiten recibir y enviar señales, y una biblioteca de celdas de puertas lógicas se utiliza para implementar la lógica. Las puertas lógicas son la base del diseño de procesadores, ya que se utilizan para implementar la mayoría de sus componentes. ^{[ 6 ]}

Las CPU diseñadas para mercados de alto rendimiento podrían requerir diseños personalizados (optimizados o específicos para la aplicación (ver más abajo)) para cada uno de estos elementos para lograr los objetivos de frecuencia, disipación de potencia y área del chip, mientras que las CPU diseñadas para mercados de menor rendimiento podrían reducir la carga de implementación adquiriendo algunos de estos elementos mediante la compra de propiedad intelectual . Las técnicas de implementación de lógica de control ( síntesis lógica mediante herramientas CAD ) se pueden utilizar para implementar rutas de datos, archivos de registros y relojes. Los estilos lógicos comunes utilizados en el diseño de CPU incluyen lógica aleatoria no estructurada, máquinas de estados finitos , microprogramación (común de 1965 a 1985) y matrices lógicas programables (comunes en la década de 1980, ya no son comunes).

Los diseños de procesadores modernos dependen cada vez más de la computación heterogénea , integrando aceleradores especializados junto con núcleos de propósito general. La adición más destacada es la Unidad de Procesamiento Neuronal (NPU) , diseñada específicamente para ejecutar operaciones matemáticas de aprendizaje automático (multiplicación de matrices) de manera más eficiente que una CPU estándar. Esta especialización permite obtener mejoras significativas en el rendimiento por vatio para cargas de trabajo de IA. ^{[ 7 ] [ 4 ]}

Las tecnologías de dispositivos utilizadas para implementar la lógica de la CPU han cambiado con el tiempo. Las primeras implementaciones utilizaban relés individuales, tubos de vacío y componentes discretos ( transistores y diodos ), y posteriormente chips TTL de integración a pequeña escala , pero estos ya no se utilizan en las CPU. La lógica de matriz programable y otros dispositivos lógicos programables tampoco se utilizan ya en las CPU para esta función, y las matrices de puertas ECL son ahora poco comunes. Las matrices de puertas CMOS ya no se utilizan en las CPU, mientras que los circuitos integrados CMOS de producción masiva representan la mayor parte de las CPU en términos de volumen. Los ASIC CMOS personalizados generalmente solo son prácticos para aplicaciones de alto volumen debido al costo de ingeniería. Las matrices de puertas programables en campo (FPGA) siguen siendo comunes para los microprocesadores blandos y se utilizan a menudo para la computación reconfigurable.

Un proyecto de diseño de CPU generalmente tiene estas tareas principales:

• Arquitectura de conjunto de instrucciones visible para el programador , que puede ser implementada por una variedad de microarquitecturas.
• Estudio arquitectónico y modelado de rendimiento en ANSI C / C++ o SystemC.
• Implementación mediante síntesis de alto nivel (HLS) o nivel de transferencia de registros (RTL, por ejemplo, lógica).
• Verificación RTL
• Diseño de circuitos para componentes críticos de velocidad (cachés, registros, ALUs)
• Síntesis lógica o diseño a nivel de compuertas lógicas
• Análisis de temporización para confirmar que toda la lógica y los circuitos funcionarán a la frecuencia de operación especificada.
• Diseño físico que incluye la distribución del espacio , la ubicación y el trazado de las puertas lógicas.
• Comprobar que las representaciones RTL, a nivel de compuerta, a nivel de transistor y a nivel físico son equivalentes.
• Verificaciones de integridad de la señal y capacidad de fabricación del chip .

Rediseñar el núcleo de una CPU para reducir el tamaño del chip ayuda a minimizar todos los componentes (mediante la técnica de " fotocontracción "), lo que permite integrar el mismo número de transistores en un chip más pequeño. Esto mejora el rendimiento (los transistores más pequeños conmutan más rápido), reduce el consumo de energía (los cables más delgados generan menos capacitancia parásita ) y disminuye el coste (se pueden integrar más CPU en la misma oblea de silicio). Lanzar una CPU con un chip del mismo tamaño, pero con un núcleo más pequeño, mantiene el coste prácticamente igual, pero permite mayores niveles de integración dentro de un chip de integración a gran escala (caché adicional, múltiples CPU u otros componentes), lo que mejora el rendimiento y reduce el coste total del sistema.

Como ocurre con la mayoría de los diseños electrónicos complejos, la verificación lógica (demostrar que el diseño no tiene errores) ahora domina el cronograma del proyecto de una CPU.

Las principales innovaciones arquitectónicas de la CPU incluyen el acumulador , el registro de índice , el registro de propósito general , la caché , la memoria virtual , la segmentación de instrucciones , la arquitectura superescalar , CISC , RISC , la máquina virtual , los emuladores , el microprograma y la pila .

Se han propuesto diversas ideas novedosas para el diseño de CPU , entre las que se incluyen la lógica reconfigurable , las CPU sin reloj , la RAM computacional y la computación óptica .

La evaluación comparativa es una forma de probar la velocidad de la CPU. Algunos ejemplos son SPECint y SPECfp , desarrollados por Standard Performance Evaluation Corporation , y ConsumerMark, desarrollado por Embedded Microprocessor Benchmark Consortium (EEMBC ).

Algunas de las métricas más utilizadas incluyen:

• Instrucciones por segundo : la mayoría de los consumidores eligen una arquitectura de computadora (normalmente la arquitectura Intel IA32 ) para poder ejecutar una gran cantidad de software precompilado. Al no estar muy informados sobre las pruebas de rendimiento de las computadoras, algunos eligen una CPU en particular basándose en la frecuencia de funcionamiento (véase el mito de los megahercios ).
• FLOPS : El número de operaciones de punto flotante por segundo suele ser importante a la hora de seleccionar ordenadores para cálculos científicos.
• Rendimiento por vatio : los diseñadores de sistemas que construyen computadoras paralelas , como Google , eligen las CPU en función de su velocidad por vatio de potencia, porque el costo de alimentar la CPU supera el costo de la propia CPU. ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• Algunos diseñadores de sistemas que construyen ordenadores paralelos eligen las CPU en función de la velocidad por dólar.
• Los diseñadores de sistemas que crean sistemas de computación en tiempo real buscan garantizar una respuesta en el peor de los casos. Esto es más fácil de lograr cuando la CPU tiene una baja latencia de interrupción y una respuesta determinista. ( DSP )
• Los programadores informáticos que programan directamente en lenguaje ensamblador desean que la CPU admita un conjunto completo de instrucciones .
• Baja potencia: para sistemas con fuentes de energía limitadas (por ejemplo, energía solar, baterías, energía humana).
• Tamaño reducido o peso ligero: para sistemas integrados portátiles, sistemas para naves espaciales.
• Impacto ambiental: Minimizar el impacto ambiental de los ordenadores durante su fabricación y reciclaje, así como durante su uso. Reducir los residuos y los materiales peligrosos. (Ver Informática verde ).

Es posible que existan desventajas al optimizar algunas de estas métricas. En particular, muchas técnicas de diseño que hacen que una CPU funcione más rápido empeoran considerablemente el "rendimiento por vatio", el "rendimiento por dólar" y la "respuesta determinista", y viceversa.

En el mercado de la informática de propósito general (ordenadores de sobremesa, portátiles y servidores), los procesadores que implementan la arquitectura del conjunto de instrucciones x86-64 siguen siendo ampliamente utilizados, con Intel y AMD como principales proveedores. Dentro del mercado de CPU x86, Mercury Research estimó que Intel tenía el 74,4 % y AMD el 25,6 % de los envíos de unidades en el tercer trimestre de 2025. ^{[ 10 ]} Los procesadores basados ​​en Arm dominan los teléfonos inteligentes y también se utilizan en algunos PC y servidores; ABI Research pronosticó que los PC basados ​​en Arm representarían alrededor del 13 % del total de envíos de PC en 2025, mientras que IDC estimó que los servidores con arquitectura Arm representarían el 21,1 % del total de envíos de servidores en 2025. ^{[ 11 ]} RISC-V también ha visto una creciente adopción en sistemas embebidos, y algunos proveedores han anunciado familias de microcontroladores basados ​​en RISC-V para aplicaciones automotrices. ^{[ 12 ]}

Dado que estos dispositivos se utilizan para ejecutar innumerables tipos de programas, estos diseños de CPU no están específicamente orientados a un solo tipo de aplicación o función. La necesidad de ejecutar una amplia gama de programas de manera eficiente ha convertido a estos diseños de CPU en algunos de los más avanzados técnicamente, aunque también presentan algunas desventajas, como su elevado coste y alto consumo energético.

La computación científica es un nicho de mercado mucho más reducido (en términos de ingresos y unidades vendidas). Se utiliza en laboratorios de investigación gubernamentales y universidades. Antes de 1990, el diseño de las CPU se centraba a menudo en este mercado, pero las CPU de consumo masivo organizadas en grandes clústeres han demostrado ser más asequibles. El principal ámbito de investigación y diseño de hardware para la computación científica que aún se encuentra activo es el de los sistemas de transmisión de datos de alta velocidad para conectar las CPU de consumo masivo.

Según las unidades vendidas, la mayoría de las CPU están integradas en otros dispositivos, como teléfonos, relojes, electrodomésticos, vehículos e infraestructura. Los procesadores integrados se venden por miles de millones de unidades al año, aunque generalmente a precios mucho más bajos que los de los procesadores de uso general.

Estos dispositivos de función única se diferencian de las CPU de propósito general más conocidas en varios aspectos:

• El bajo costo es de suma importancia.
• Es importante mantener una baja disipación de potencia, ya que los dispositivos integrados suelen tener una duración de batería limitada y, a menudo, no es práctico incluir ventiladores de refrigeración.
• Para reducir el coste del sistema, los periféricos están integrados con el procesador en el mismo chip de silicio.
• Mantener los periféricos en el chip también reduce el consumo de energía, ya que los puertos GPIO externos normalmente requieren almacenamiento en búfer para poder suministrar o absorber las cargas de corriente relativamente altas que se requieren para mantener una señal fuerte fuera del chip.
  • Muchas aplicaciones integradas disponen de un espacio físico limitado para los circuitos; mantener los periféricos en el chip reducirá el espacio necesario en la placa de circuitos.
  • Las memorias de programa y de datos suelen estar integradas en el mismo chip. Cuando la única memoria de programa permitida es la ROM , el dispositivo se conoce como microcontrolador .
• Para muchas aplicaciones integradas, la latencia de interrupción será más crítica que en algunos procesadores de propósito general.

• Hwang, Enoch (2006). Lógica digital y diseño de microprocesadores con VHDL . Thomson. ISBN 0-534-46593-5.
• Diseño de procesadores: una introducción